CN1691275A - 结晶设备、结晶方法、器件、光学调制元件和显示装置 - Google Patents

结晶设备、结晶方法、器件、光学调制元件和显示装置 Download PDF

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Abstract

第一光学调制元件用光束照射非单晶物质，由此熔化该物质，其中所述光束将具有通过调制入射的第一光束的强度而获得的在非单晶物质上的第一光强分布。第二光学调制元件用光束照射该物质，由此熔化该物质，其中所述光束将具有通过调制入射的第二光束的强度而获得的在该物质上的第二光强分布。在通过照射具有第一光强分布的光束而部分地熔化该物质的期间，照明系统使具有第二光强分布的光束进入该物质的熔化部分。

Description

结晶设备、结晶方法、器件、光学调制元件和显示装置
发明背景
本发明涉及一种结晶设备、结晶方法、器件、光学调制元件和显示装置，特别是涉及一种通过用具有预定光强分布的激光照射非单晶物质如非单晶半导体膜而产生结晶半导体膜的技术。
用于选择例如液晶显示器(LCD)中的显示像素的开关元件等的薄膜晶体管(TFT)已经常规地通过使用非晶硅或多晶硅形成。
多晶硅具有比非晶硅更高的电子或空穴迁移性。因此，当通过使用多晶硅形成晶体管时，开关速度以及显示响应速度变得比使用非晶硅形成的晶体管的情况更高。此外，外围LSI可以包括薄膜晶体管。此外，有减少任何其他元件的设计余量的优点。而且，当在显示器中安装外围电路如驱动电路或DAC时，这些外围电路可以以更高速度操作。
由于多晶硅包括晶粒的聚集体，当例如在这种多晶硅中形成TFT晶体管时，在沟道区中存在晶粒边界，这种晶粒边界用作阻挡器，并且与单晶硅相比电子或空穴的迁移性减小了。另外，通过使用多晶硅形成的很多薄膜晶体管的每个都具有形成在沟道区中的不同数量的晶粒边界，并且这种差别变得不规则，在液晶显示器的情况下导致显示不均匀的问题。这样，近年来已经有人提出了一种产生具有大粒度晶粒的结晶硅的结晶方法，能形成至少一个沟道区，以便提高电子或空穴的迁移性并减少沟道部分中的晶粒边界的数量的不规则性。
作为这种类型的结晶方法，有常规公知的一种“相位控制ELA(准分子激光退火)法”，该方法通过用准分子激光照射与多晶半导体膜或非单晶半导体膜大致平行的移相器而产生结晶半导体膜。相位控制ELA法的详细说明在如下文献中被公开：例如Journal of The SurfaceScience Society of Japan，第21卷、第5号第278-287页，2000年。
在相位控制ELA法中，产生具有反向山峰图形(其中光强在中心最小和光强朝向周边(侧边)急剧增加的图形)的光强分布，其中在对应于移相器的移相部分的点上的光强低于周边部分的光强，并且用反向山峰形状的这种光强分布的光照射非单晶半导体膜(多晶半导体膜或非晶半导体膜)。结果是，在根据照射目标区中的光强分布的熔合区中产生温度梯度，在首先固化的部分，或根据光强最小的点不熔化的部分上形成晶核，并且在横向方向朝向周边从晶核开始进行晶体生长(这将被称为“横向生长”或“在横向方向上的生长”)，由此产生具有大粒度的单晶颗粒。
此外，由H.Ogawa等人在IDW’03 Proceedings of the 10thInternational display Workshops第323页中提出的“利用相位调制的准分子退火方法的大Si颗粒的生长(Growth of Large Si Grain at RoomTemperature by Phase-Modulated Excimer Annealing Method)”发布了一种结晶方法，其通过用具有V形光强分布的光照射非单晶半导体膜而产生晶粒，其中所述光强分布可以通过移相器和图像形成光学系统来获得。此外，这种公知的参考文献公开了希望获得一种用于照射非单晶半导体膜的光强分布，从而在光强最大值被标准化为1.0时，在0.5-1.0的强度范围内的V形中改变。
在这种公知的参考文献中公开的结晶方法中，使用脉冲振荡型激光源如准分子激光源，并且其每个典型的脉冲光发射时间是20-30nsec(纳秒)。设置这个时间是为了获得通过在极短时间内在一部分半导体如硅上集中光发射能量而熔化半导体所需的大光强。结果是，可以在每个脉冲光发射时间内用相同光强分布(V形)照射半导体。
现在将在下面参照图18A-18D(图18C和18D是表示涉及根据现有技术当用具有V形光强分布的光束在固定时间内照射a-Si层时获得的a-Si(非晶硅)层内的温度分布变化的计算结果)介绍由于在最新的公知参考文献中公开的现有技术中，用相同V形光强分布照射半导体所产生的缺陷。在计算这个温度分布的情况下，采用在如下文献中所述的计算方法：由Mitsuru Nakata等人提出的“一种新的成核位置控制准分子激光结晶方法(A new Nucleation-Site-ControlExcimer-Laser-Crystallization Method)”，Jpn.J.Apple.Phys.第40(2001)卷Pt.1，No.5A，3049p，并且这里引证这篇参考文献供参考。而且，在计算温度分布的情况下，忽视了在熔化/固化a-Si时吸收/产生的潜在热量的影响。作为计算条件，假设层结构从光入射一侧依次包括：厚度为200nm的SiO2层、厚度为200nm的a-Si层和具有无限厚度的SiO2层。假设在具有如图18A所示的V形的单位光强分布(表示包括在图中连续形成的多个V形单位光强分布的光强分布中的一个山脉形状单位强度部分)中最大光强为1.0×1011W/cm2，并且每个脉冲光发射时间是20nsec，如图18B所示。此外，假设a-Si具有24W/mK的导热率、861J/KKg的比热和2340Kg/m3的密度。此外，假设SiO2具有1.5W/mK的导热率、1000J/KKg的比热和2300Kg/m3的密度。
参见图18C，其中示出了在脉冲光发射期间温度分布的变化，可以理解到温度分布保持V形(表示在图中连续形成的V形光强分布的人字形部分)并在施加具有V形光强分布的光束的期间经20nsec时间之后实现了温度增加。然而，参见图18D，其中示出了在脉冲光发射之后的温度分布的变化，可以认识到在终止脉冲光发射之后随着时间流逝温度逐渐降低，并且随着时间变化，V形温度分布中的高温区(峰值部分)的温度梯度变平坦。这种现象的原因是a-Si层中的面内方向的热扩散。
图19是示意性地表示通过图18C中所示的温度分布的变化而涉及的a-Si的结晶状态的进展的示意图。在通过图18C所示温度分布的变化而涉及的硅的结晶中，如图19所示，在a-Si的整个光接收区一次被熔化和中断激光入射时，在温度最低的部分即V形温度分布(也是光强分布)的底部发生部分结晶。之后，借助于V形温度分布中的温度梯度的热量，利用这个结晶部分作为晶核而使晶体在横向方向上进行生长。然而，当晶体生长处于最后阶段和达到V形温度分布(也就是光强分布)的高温区(峰值附近)时，由于预先的热扩散而使高温区中的温度梯度处于平坦状态(温度分布变圆的状态)。
因此，在达到高温区之前终止主要希望的晶体生长，在V形温度分布中的高温区中产生不希望的晶核，并且这个高温区被多晶结晶。结果是，在晶体生长的最后阶段热扩散的影响不能实现从晶核开始的充分晶体生长，因此不能进行具有大粒度晶粒的结晶半导体的产生。在这种情况下，“具有大粒度的晶粒”意味着具有在晶粒中可完全形成一个TFT的沟道区的尺寸的晶粒。此外，在这种情况下，例如定位精度的余量变窄了。
尽管在上述计算中不考虑潜在热量的影响，但是在固液界面处由于在固化期间产生的潜在热量而使温度增加。这种现象在如下文献中被引入：由Masakiyo Matsumura提出的“利用准分子激光形成具有大晶粒的Si薄膜(formation of an Si thin film with a huge crystal grainusing an excimer laser)”，Journal of The Surface Science Society ofJapan，第21卷、第5号、第278页，2000年。从在这篇参考文献中引入的结果分析，可推测到当高温区中的温度梯度如图19所示那样平坦化时，温度分布受到潜在热量的影响并且如图20所示。在这种情况下，可以认为进一步广泛地发生了由于潜在热量的反射的影响而使温度梯度平坦化，并且从首先开始结晶的晶核进行的晶体生长变短(获得在横向方向上短的晶粒)。
发明内容
本发明的目的是提供一种结晶设备、结晶方法、器件、光学调制元件以及显示装置，其能实现从晶核开始的充分晶体生长和由此产生具有大粒度的结晶物质同时抑制在晶体生长的最后阶段热扩散或潜在热量的发射的影响。
本发明的第一方面提供一种结晶设备，包括：
第一光学调制元件，其用光束照射非单晶物质，由此使非单晶物质熔化，其中所述光束将具有通过调制入射的第一光束的强度而得到的在非单晶物质上的第一光强分布；
第二光学调制元件，其用光束照射非单晶物质，由此熔化非单晶物质，其中所述光束将具有通过调制入射的第二光束的强度而得到的在非单晶物质上的基本上不同于第一光强分布的第二光强分布；和照明系统，其使具有第二光强分布的光束在通过照射具有第一光强分布的光束而部分地熔化非单晶物质期间，进入非单晶物质的熔化部分。
本发明的第二方面提供一种结晶设备，包括：
第一光学调制元件，其用第一光束照射非单晶物质，由此使非单晶物质熔化，其中所述光束将具有通过调制入射的第一光束的强度而得到的在非单晶物质上的光强分布，该光强分布具有相邻的至少两个V形单位强度分布，以便在其间限定人字形单位光强分布；
第二光学调制元件，其用第二光束照射非单晶物质，由此熔化非单晶物质，其中所述光束将具有通过调制入射的第二光束的强度而得到的在非单晶物质上的第二光强分布；和
照明系统，在从照射第一光束开始经过预定时间之后，该照明系统用第二光束照射被第一光束熔化的一部分非单晶物质。
在第一和第二方面中，照明系统可以具有提供照明光束的光源、分割从光源提供的光束的光束分裂器、将一个光束从光束分裂器引到第一光学调制元件的第一光学系统以及具有比第一光学系统更长的光学路径长度并将另一光束从光束分裂器引到第二光学调制元件的第二光学系统。
此外，在这些方面中，优选地，第一光学调制元件和第二光学调制元件是共用光学调制元件，并且照明系统使具有第一角分布的第一光束进入共用光学调制元件，然后使具有基本上不同于第一角分布的第二角分布的第二光束进入共用光学调制元件。在这种情况下，照明系统优选具有：提供照明光束的光源；分割从光源供给的光束的光束分裂器；使来自光束分裂器的一个光束成形并将这个光束引到预定位置的第一成形光学系统；具有比第一成形光学系统更长的光学路径长度、使来自光束分裂器的另一个光束成形并将这个光束引到该预定位置的第二成形光学系统；设置在该预定位置上并将通过第一成形光学系统传输的光束的光学路径和通过第二成形光学系统传输的光束的光学路径组合起来的光学路径组合元件；和设置在光学路径组合元件和共用光学调制元件之间的共用照明光学系统。
此外，在这些方面中，优选地，第一光学调制元件和第二光学调制元件是共用光学调制元件，照明系统使具有第一偏振状态的第一光束进入共用光学调制元件，然后使具有基本上不同于第一偏振状态的第二偏振状态的第二光束进入共用光学调制元件。在这种情况下，照明系统优选具有提供照明光束的光源；分割从光源供给的光束的偏振光束分裂器；将被光束分裂器反射的S偏振光束引导到预定位置的第一光学系统；具有比第一光学系统更长的光学路径长度并将通过光束分裂器传输的P偏振光束引导到预定位置的第二光学系统；设置在预定位置上并将通过第一光学系统传输的S偏振光束的光学路径和通过第二光学系统传输的P偏振光束的光学路径组合起来的光学路径组合元件；和设置在光学路径组合元件和共用光学调制元件之间的共用照明光学系统。此外，在这种情况下，优选共用光学调制元件包括图形区，在该图形区中用于具有第一偏振状态的第一光束的传输系数基本上不同于具有第二偏振状态的第二光束的传输系数。
而且，在这些方面中，优选地，进一步提供一种设置在第一和第二光学调制元件与非单晶半导体之间的共用图像形成光学系统。
本发明的第三方面提供一种结晶方法，其通过用具有预定光强分布的光束照射非单晶物质而产生结晶物质，该方法包括：
第一照射步骤，用具有第一光强分布的第一光束照射非单晶物质；和
第二照射步骤，在非单晶物质被第一照射步骤熔化的时间内，用具有基本上不同于第一光强分布的第二光强分布的光束照射非单晶物质的熔化部分。
本发明的第四方面提供一种结晶方法，其通过用具有预定光强分布的光束照射非单晶物质而产生结晶物质，该方法包括：
首先，用第一光束照射非单晶物质，所述第一光束将具有在非单晶物质上的光强分布，该光强分布具有相邻的至少两个V形单位强度分布，以便在其间限定人字形单位光强分布；和
其次，在从第一照射步骤开始经过预定时间之后，根据人字形单位光强分布的顶点，用具有第二光强分布的光束照射形成到非单晶物质上的高温区，以便补偿非单晶物质的高温区中温度梯度随着时间而产生的平坦化。
在第三和第四方面中，优选地，在第一照射步骤中用通过第一光学调制元件进行了相位调制的光束照射非单晶半导体，并且用通过具有与第一光学调制元件不同的特性的第二光学调制元件进行了相位调制的光束照射非单晶半导体。或者，在第一照射步骤中，优选使第一光束进入共用光学调制元件并用通过共用光学调制元件进行了相位调制的光束照射非单晶半导体，并且使具有不同于第一光束的特性的第二光束进入共用光学调制元件，用通过共用光学调制元件进行了相位调制的光束照射非单晶半导体。
根据本发明的第五方面，提供一种使用第一或第二方面的结晶设备或者第三或第四方面的结晶方法制造的器件。
根据本发明的第六方面，提供一种光学调制元件，它包括其中传输系数根据入射光束的偏振状态而不同的图形区以及调相区。
应该注意的是，在本说明书中，为了表述的目的，使用术语“非单晶”表示处于熔化状态的非单晶。
利用根据上述方面的技术，可以相对于热扩散或潜在热量发射的影响，补偿随着时间变化产生的温度梯度的平坦化，例如V形温度分布的高温区，并且甚至在结晶生长的最后阶段也确实地保持了高温区中的所需温度梯度。结果是，可以实现从晶核开始的充分晶体生长，并产生大粒度的晶粒，同时抑制了在晶体生长最后阶段热扩散或潜在热量发射的影响。
附图说明
图1是表示根据本发明第一实施例的结晶设备的示意图；
图2是表示图1所示的第一照明光学系统和第二照明光学系统的内部结构的示意图；
图3A和3B是分别表示第一实施例中的第一光学调制元件的相位图形以及通过使用第一光学调制元件在被处理衬底上形成的光强分布的示意图；
图4A和4B是分别表示第一实施例中的第二光学调制元件的相位图形以及通过使用第二光学调制元件在被处理衬底上形成的光强分布的示意图；
图5A和5B是分别表示第一实施例中的光源的脉冲光辐射特性以及进入第一光学调制元件的第一脉冲光和进入第二光学调制元件中的第二脉冲光之间的临时关系的示意图；
图6是表示在第一实施例中结晶如何进行的示意图；
图7表示根据本发明第二实施例的结晶设备的结构的示意图；
图8A和8B分别是表示图7所示的第一照明光学系统和第二照明光学系统的内部结构的示意图；
图9A和9B分别是表示第二实施例中的共用光学调制元件和被处理衬底之间的位置关系以及共用光学调制元件的相位图形的示意图；
图10是表示当使第一脉冲光进入第二实施例中的共用光学调制元件时在被处理衬底上形成的光强分布的示意图；
图11是表示当使第二脉冲光进入第二实施例中的共用光学调制元件时在被处理衬底上形成的光强分布的示意图；
图12是表示根据本发明第三实施例的结晶设备的结构的示意图；
图13A、13B和13C是分别表示第三实施例中的共用光学调制元件的相位图形、导电膜图形、和共用光学调制元件的示意图；
图14是表示当使第一脉冲光进入第三实施例中的共用光学调制元件时在被处理衬底上形成的光强分布的示意图；
图15是表示当使第二脉冲光进入第三实施例中的共用光学调制元件时在被处理衬底上形成的光强分布的示意图；
图16A和16B是分别表示第一脉冲光和第二脉冲光之间的时间关系的不同修改例的示意图；
图17A-17E是表示使用根据本实施例的结晶设备制造电子装置的工艺的工艺剖面图；
图18A-18D是表示根据现有技术当用具有V形光强分布的光束在固定时间内照射a-Si时获得的温度分布变化的计算结果的示意图；
图19是表示涉及图18D中所示的温度分布变化的a-Si的结晶的进行状态的示意图；和
图20是表示当受到潜在热量影响时现有技术的不便的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图介绍根据本发明的实施例。
图1是表示根据本发明第一实施例的结晶设备的结构的示意图。
图2是表示第一照明光学系统和第二照明光学系统的内部结构的示意图。
参见图1，根据第一实施例的结晶设备包括各调制入射光束的相位的第一光学调制元件1和第二光学调制元件2；照明系统3；图像形成光学系统4；和其上安装被处理衬底5的衬底台6。
下面详细介绍第一光学调制元件1和第二光学调制元件2的结构和效果。照明系统3包括作为输出使被处理衬底5的非单晶半导体熔化的能量光的光源的KrF准分子激光源31，它提供波长例如为248nm的脉冲激光。作为光源31，还可以使用任何其它合适的光源，如具有发射使结晶处理目标或非单晶半导体熔化的能量光线的性能的XeCl准分子激光源或YAG激光源。从光源32发射的激光进入光束分裂器32，通过该光束分裂器将激光分成两个部分。
被光束分裂器32反射的一部分激光(第一激光)经过第一照明光学系统33被引导到第一光学调制元件1。通过光束分裂器32传输的另一部分激光(第二激光)经延迟光学系统34、一对反射镜35和36以及第二照明光学系统37被引导到第二光学调制元件2，其中延迟光学系统34包括例如多个反射部件并具有相对长的光学路径，第二照明光学系统37具有与第一照明光学系统33相同的结构。因此，从光束分裂器32到第二光学调制元件2的光学路径长度设置成比从光束分裂器32到第一光学调制元件1的光学路径长度长预定距离。这个预定距离是对应于在通过第一光学调制元件1照射的被处理衬底5的非单晶半导体被部分地熔化的期间通过第二光学调制元件2进行照射的时序的距离。非单晶半导体的部分熔化意味着光强分布的至少最大值在利用脉冲方式通过第一光学调制元件1照射的非单晶半导体的温度下降过程中熔化的期间。
从光源31发射出并进入第一照明光学系统33(或第二照明光学系统37)的光束通过光束扩张器3a扩张，然后进入第一蝇眼透镜3b，如图2所示。通过这种方式，多个小光源形成在第一蝇眼透镜3b的后聚焦表面上，并且来自多个小光源的光通量按照重叠方式照射到第二蝇眼透镜3d的入射表面上。结果是，在第二蝇眼透镜3d的后聚焦表面上形成比第一蝇眼透镜3b的后聚焦表面上的更小的光源。
来自形成在第二蝇眼透镜3d的后聚焦表面上的多个小光源的光通量按照重叠方式通过第二聚光光学系统3e照射第一光学调制元件1(或第二光学调制元件2)。这里，第一蝇眼透镜3b和第一聚光光学系统3c构成第一均化器。第一均化器使从光源31提供的激光相对于第一光学调制元件1(或第二光学调制元件2)上的入射角而均匀化。
第二蝇眼透镜3d和第二聚光光学系统3e构成第二均化器。第二均化器使被第一均化器均匀化的具有入射角的激光相对于在第一光学调制元件1(或第二光学调制元件2)上的每个面内位置上的光强而均匀化。通过这种方式，照明系统3用具有基本上均匀化的光强分布的激光照射各个第一光学调制元件1和第二光学调制元件2。在上述说明中，应该理解到，照明系统3使具有预定光发射时间的第一脉冲光进入第一光学调制元件1，然后在从第一脉冲光开始入射到第一光学调制元件1上的预定时间(对应于预定距离)之后，使具有与第一脉冲光相同的光发射时间的第二脉冲光进入第二光学调制元件2。该预定距离是对应于在通过第一光学调制元件1照射的被处理衬底5的非单晶半导体被部分地熔化的期间通过第二光学调制元件2进行照射的时序的距离。
通过第一光学调制元件1进行调相的第一激光通过光束分裂器7传输，然后经图像形成光学系统4进入被处理衬底5中。另一方面，通过第二光学调制元件2进行了相位调制的第二激光被光束分裂器7反射，然后通过图像形成光学系统4进入被处理衬底5。这里，在图像形成光学系统4中，第一光学调制元件1和第二光学调制元件2的图形表面与被处理衬底5(精确地说是非单晶半导体层的上表面)按照光学共轭关系设置。换言之，被处理衬底5设置到与第一光学调制元件1和第二光学调制元件2的图形表面光学地共轭的表面(图像形成光学系统4的图像表面)。
图像形成光学系统4包括在前部正透镜组件4a和后部正透镜组件4b之间的孔径光阑组件4c。孔径光阑组件4c包括具有不同尺寸的孔径部分(光传输部分)的多个孔径光阑。实际上，使用一个被选光阑。这样，多个孔径光阑4c可以相对于光学路径而替换。或者，做为孔径光阑4c，可以使用能连续改变孔径部分的尺寸的可变光阑。在任何情况下，孔径光阑4c的孔径部分的尺寸(因此图像形成光学系统4的图像侧数值孔径NA)设置成可以在被处理衬底5的半导体层上产生所需光强分布，这将在后面说明。这种图像形成光学系统4可以是折射型光学系统、反射型光学系统或折射/反射型光学系统。
被处理衬底5在如下工艺中被结晶：其中形成通过第一光学调制元件1进行相位调制的第一激光的图像并进行熔融和固化。例如利用化学汽相淀积(CVD)通过在例如液晶显示器玻璃板衬底上依次形成下膜、非晶硅膜(半导体层)和覆盖膜而获得被处理衬底5。下绝缘膜由绝缘材料形成，例如SiO2，并避免外来粒子例如玻璃衬底中的Na混合到非晶硅膜中，在非晶硅膜与玻璃衬底直接接触时将发生这种现象，并防止非晶硅膜的熔化温度直接传输到玻璃衬底上。非晶硅膜是要结晶的半导体膜，并且这是非单晶膜、非晶半导体膜或多晶半导体。
非单晶膜不限于半导体膜，还可以是由非单晶材料如非单晶金属形成的膜。优选形成绝缘膜，例如SiO2膜作为非晶硅膜上的覆盖膜。通过进入非晶硅膜的一部分光束加热覆盖膜，并在加热时储存温度。如果不提供覆盖膜，在中断光束入射时，尽管光束高温部分的温度在非晶硅膜的照射目标表面上相对快速地降低，但热储存效果也减轻了这种温度下降梯度并便于大粒度的横向晶体生长。被处理衬底5被真空吸盘或静电吸盘设置并保持在衬底台6上的预定位置上。
图3A是表示第一实施例中的第一光学调制元件1的相位图形的示意图，图3B是表示通过使用第一光学调制元件而在被处理衬底上形成第一激光的光强分布的示意图。如图3A所示，第一实施例中的第一光学调制元件1在横向方向(平行于横截面 A的方向)的一个周期中具有参考相位值为0度的参考相位区(用图中的空白部分表示)1a以及调相值为90度的每个矩形调相区(由图中的阴影部分表示)1b。这里，调相区1b根据1.0μm的间距在垂直和水平方向设置成矩阵形式(图像形成光学系统4的图像表面上的减少值，涉及光学调制元件的尺寸由图像表面减少值等表示)。
此外，调相区1b相对于包括一个相位区的1.0μm×1.0μm的单位单元(被虚线包围的区域)的面积共享比(效率)1c在横向方向上(沿着横截面 A)在0％和50％之间变化。具体地说，相位图形的重复单位区域1d的两侧上的调相区1b的面积共享比是50％(最大面积共享比)，而在重复单位区域1d的中心的调相区1b的面积共享比是0％(最小面积共享比)，并且这些比之间的调相区1b的面积共享比按照28％、18％、11％和5％的顺序变化。1.0μm×1.0μm的单位单元1c具有不大于图像形成光学系统4的点扩散函数范围的尺寸。
当使用根据第一实施例的第一光学调制元件1时，如图3B所示，根据单位区域1d，在设置在图像形成光学系统4的图像表面位置上的被处理衬底5的表面上形成山脉形状的单位光强分布(在相邻的V形单位光强的最小峰值部分之间的光强分布)。即，形成山脉形的单位光强分布，其中根据调相区1b的面积共享比为50％的横截面 A的位置的光强最小，并且根据调相区1b的面积共享比为0％的横截面 A的位置的光强最大。实际上，第一光学调制元件1具有在横向方向上设置的多个相位图形，如图3A所示。结果是，在照射目标表面上的横向方向上形成如图3B所示的多个人字形(即，V形)单位光强分布，因此将照射表面上的光强分布定义为多个V形光强分布。图3B表示在沿着横截面 A的方向上连续形成的多个V形光强分布当中，对应于相位图形的重复单位区域1d的一个人字形或山脉形光强分布。
图4A和4B分别是表示第一实施例的第二光学调制元件1的相位图形和使用第二光学调制元件2在被处理衬底5上形成的光强分布的示意图。如图4A所示，根据第一实施例的第二光学调制元件2具有参考相位值为0度的参考相位区(用图中的空白部分表示)2a以及调相值为180度的每个矩形(本例中为正方形)调相区(由图中的阴影部分表示)2b。这里，调相区2b根据1.0μm的间距(图像表面减少值)在垂直和水平方向设置。
调相区2b相对于包括一个相位区的1.0μm×1.0μm的单位单元(被虚线包围的正方形区域)2c的面积共享比(效率)沿着图中的水平方向(沿着横截面 A)在0％和50％之间变化。具体地说，相位图形的重复单位区域2d的两侧上的调相区2b的面积共享比是50％，而在重复单位区域2d的中心的调相区2b的面积共享比是0％，并且这些比之间的调相区2b的面积共享比按照50％、50％、28％和11％的顺序变化。1.0μm×1.0μm的单位单元2c具有不大于图像形成光学系统4的点扩散函数范围的尺寸。
当使用根据第一实施例的第二光学调制元件2时，如图4B所示，根据相位图形的单位区域2d，在设置在图像形成光学系统4的图像表面位置上的被处理衬底5的表面(照射目标表面)上形成具有山峰形状的单位光强分布。这个单位光强分布具有中心山峰的形状，其中根据调相区2b的面积共享比为0％的横截面 A的位置的光强最大，并且根据调相区2b的面积共享比为50％的横截面 A的位置的光强基本为0。
比较图3B和4B所示的光强分布，可以理解到，通过使用第二光学调制元件2形成的具有中心山峰形状的光强分布的梯度大于通过使用第一光学调制元件1形成的V形的人字形光强分布的梯度。这些图中所示的光强分布是在如下假设基础上计算的：光的波长λ为248nm、图像形成光学系统4的图像侧数值孔径NA为0.13，和图像形成光学系统4的值σ(相干系数)为0.5。根据第三实施例的光强分布的计算假定为具有相同条件。
图5A和5B分别是表示第一实施例中的光源的脉冲光发射特性和进入第一光学调制元件中的第一脉冲光和进入第二光学调制元件的第二脉冲光之间的临时关系。在第一实施例中，如图5A所示，从光源31发射的脉冲光的光发射周期设置为20nsec。此外，从第一光束分裂器32到第一光学调制元件1的第一激光的光学路径长度与从光束分裂器32到第二光学调制元件2的第二激光的光学路径之间的光学路径长度差设置成对应于延迟时间40nsec(从第二光束分裂器7到第一光学调制元件1的距离设置为等于从第二光束分裂器7到第二光学调制元件2的距离)。对应于延迟时间40nsec＝40×10-9sec的光学路径长度差可以通过下列表达式(1)来计算。关于延迟时间的设置，合适地选择直到熔化部分(这部分被称为最大值熔化部分，并且它是对应人字形光强分布的顶点的区域)保持下来而没有在照射目标表面上结晶的周期的周期，其中通过利用至少第一光学调制元件1形成的光强分布使照射目标表面熔化和结晶。
(光学路径长度差)＝(光速)×(延迟时间)
                ＝(3.0×108m/sec)×(40×10-9sec)
                ＝12m                   (1)。
通过这种方式，按照如下方式确定包括多个反射部件的延迟光学系统34的内部结构：从光束分裂器32到第一光学调制元件1的光学路径长度与从光束分裂器32到第二光学调制元件2的光学路径之间的光学路径长度差变为大约12m(尽管在图1中，光束分裂器32和第一光学调制元件1之间的距离明显不同于光束分裂器32和第二光学调制元件2之间的距离(不包括延迟光学系统34的距离)，这些距离设置为彼此相等)。希望通过提供相对多的弯曲光学路径来减小延迟光学系统34的尺寸。
这样，在第一实施例中，如图5B所示，具有20nsec的光发射时间的第一脉冲光进入第一光学调制元件1，然后在从第一脉冲光入射到第一光学调制元件1上开始经过40nsec之后，具有与第一脉冲光相同的20nsec光发射时间的第二脉冲光进入第二光学调制元件2。为了便于理解，假设在其它实施例中，与第一实施例相同，光源的脉冲光发射特性以及第一脉冲光和第二脉冲光之间的临时关系满足图5B所示的条件。
图6是表示第一实施例中的结晶的进行状态的示意图。在第一实施例中，如图6所示，通过使第一脉冲光进入第一光学调制元件1，由此在被处理衬底5的表面上形成对应于V形光强分布的V形温度分布，从而用V形光强分布(第一光强分布)照射被处理衬底5的表面。而且，在V形温度分布中的高温区(峰顶部分)中的温度梯度由于温度下降而降低到不大于熔点之前，在通过第一脉冲光获得的人字形光强分布中的最大温度部分及其附近被不低于熔点的温度的光图形照射。即，使第二脉冲光进入第二光调制元件2，并在部分地熔化被处理衬底5上的非单晶半导体的时间内，用具有中心山峰形状(第二光强分布)的光强分布照射被处理衬底5的表面。
结果是，通过添加对应于具有中心山峰形状的第二光强分布的温度分布，可以相对于热扩散或潜在热量发射的影响补偿(校正)V形温度分布中的高温区中的温度梯度的平坦化，并且甚至在晶体生长的最后阶段也能确实地保持高温区中的所需温度梯度。图6表示了这个状态。就是说，在其中的(a)中示出了通过第一光学调制元件1而在非单晶半导体上形成的第一光强分布。(b)示出了在光照射之前非单晶半导体5的温度分布，其中整个表面表示常温并且半导体处于固态。
然后，在具有如(a)中所示的光强分布的脉冲状光束(第一激光)进入非单晶半导体层5中时，在这个半导体层5的照射目标表面上形成不低于熔点并示于(c)中的温度分布。即，具有不低于熔点的温度的照射目标表面被熔化，同时保持该温度分布(液体状态)。当终止脉冲状光束照射时间时，开始呈现温度下降状态。在温度下降过程中，如(d)所示，当经过部分熔点时，从存在于光强分布中的最小值部分中的晶核开始进行晶体生长。这个状态示于(e)中。另外，当温度下降如(f)那样进行时，晶体生长在水平方向进行，并且获得(g)中所示的状态。在这个部分熔化区部分地保持的状态下，用具有第二光强分布的(h)中所示的光强分布的光束同轴地照射非单晶半导体5。即，用具有等于或高于第二光强分布的熔点的最大值并示于图6(h)中的光束(第二激光束)照射对应于第一光强分布的最大值的非单晶半导体5的照射目标部分中的熔化部分。换言之，用(f)中所示的光束照射非单晶半导体5，并证实等于或高于(g)中所示的液态部分中的熔点的高温。结果是，甚至在(i)中所示的人字形光强分布的顶部也在水平方向进行晶体生长。
因此，在第一实施例中，由于甚至在晶体生长的最后阶段也确实地保持了V形温度分布的高温区中的所需温度梯度，因此在达到高温区之前不终止晶体生长，和不在高温区中结晶的情况下实现了充分长的晶体的横向生长。就是说，在第一实施例中，在晶体生长的最后阶段可以抑制热扩散或潜在热量发射的影响，并且可以实现从晶核开始的充分的晶体生长，由此产生具有大粒度的结晶半导体。结果是，可以拓宽例如定位精度的余量。
在第一实施例中，来自一个光源31的光束被光束分裂器32分成两个光束。然而，本发明不限于此，也可以采用如下结构：其中来自第一光源的光束被引导到第一光学调制元件1，和来自第二光源的光束被引导到第二光学调制元件2，并且从两个光源发射脉冲光的时序可以偏移。
在第一实施例中，共用图像形成光学系统4设置在第一光学调制元件1和第二光学调制元件2与被处理衬底5之间。然而，本发明不限于此，将光从第一光学调制元件引导到被处理衬底5的第一图像形成光学系统和将光从第二光学调制元件2引导到被处理衬底的第二图像形成光学系统可以分开提供。在这种情况下，必须在第一和第二图像形成光学系统与被处理衬底5之间设置组合两个光学路径的光学路径组合元件。
图7是表示根据本发明第二实施例的结晶设备的结构的示意图。图8A和8B是表示图7中所示的第一照明光学系统和第二照明光学系统的内部结构的示意图。参见图7，根据第二实施例的结晶设备是如下设备：它与不使用图像形成光学系统的近程(散焦)方法(施加在近程曝光中产生的菲涅耳衍射图形的方法)一致，并包括照明系统3A、其上安装被处理衬底5的衬底台6、和光学调制元件10，光学调制元件10设置在这些部件之间并共用于第一脉冲光(第一激光)和第二脉冲光(第二激光)。在图7中，相同参考数字表示具有与图1中的构成元件相同的功能的元件。
在照明系统3A中，从光源31发射的激光进入光束分裂器32。被光束分裂器32反射的光(第一激光)通过第一成形光学系统41进入光学路径组合元件42，如光束分裂器。另一方面，通过光束分裂器32传输的光(第二激光)经过延迟光学系统34、一对反射镜35和36以及第二成形光学系统43进入光学路径组合元件42。通过光学路径组合元件42传输的第一激光通过共用照明光学系统44，然后作为第一脉冲光照射共用光学调制元件10。同样，被光学路径组合元件42反射的第二激光通过共用照明光学系统44，然后作为第二脉冲光照射共用光学调制元件10。
在第二实施例中，用第一放大率放大第一激光的直径的第一成形光学系统41和共用照明光学系统44构成第一照明光学系统，该第一照明光学系统使具有第一角分布(角宽度)的第一脉冲光进入共用光学调制元件10。此外，用小于第一放大率的第二放大率放大第二激光的直径的第二成形光学系统43和共用照明光学系统44构成第二照明光学系统，该第二照明光学系统使具有不同于第一角分布的第二角分布(角宽度)的第二脉冲光进入共用光学调制元件10。如图8A所示，第一成形光学系统41按照距离光源的顺序具有负透镜组3f和正透镜组3g。同样，第二成形光学系统43按照距离光源的顺序具有负透镜组3h和正透镜组3i，如图8B所示。
如图8A和8B所示，共用照明光学系统44按照距离光源的顺序具有蝇眼透镜3j和聚光光学系统3k。这里，共用照明光学系统44是按照如下方式构成的：蝇眼透镜3j的后聚焦表面基本上与聚光光学系统3k的前聚焦表面相匹配。其直径已经被第一成形光学系统41放大的光束(第一激光)相对于共用调制元件10进行科勒(Koehler)照明，作为具有通过共用照明光学系统44的均匀化照明分布的最大入射角θ1的第一脉冲光。同样，其直径已经被第二成形光学系统43放大的光束(第二激光)相对于共用调制元件10进行可勒照明，作为具有通过共用照明光学系统44的均匀化照明分布的最大入射角θ2的第二脉冲光。在这种情况下，由于第一成形光学系统41的放大率设置成大于第二成形光学系统43的放大率，因此通过第一成形光学系统41进入蝇眼透镜3j的光束的横截面大于通过第二成形光学系统43进入蝇眼透镜3j的光束的横截面。
结果是，通过第一成形光学系统41进入共用光学调制元件10的第一脉冲光的最大入射角θ1变得大于通过第二成形光学系统43进入共用光学调制元件10的第二脉冲光的最大入射角θ2。这是因为进入共用光学调制元件10的光的最大入射角取决于在确定共用照明光学系统44的出口光瞳的蝇眼透镜3j的存在表面上的光束的横截面尺寸。在下列模拟中，假设第一脉冲光的最大入射角θ1为2.1度，而第二脉冲光的最大入射角θ2为1.0度。
图9A和9B分别是表示在第二实施例中共用光学调制元件和被处理衬底之间的位置关系以及共用光学调制元件的相位图形的一部分。图10是表示在第二实施例中在使第一脉冲光进入共用光学调制元件中时在被处理衬底上形成的光强分布的示意图，图11是表示在第二实施例中在使第二脉冲光进入共用光学调制元件中时在被处理衬底上形成的光强分布的示意图。共用光学调制元件10靠近被处理衬底设置，其距离被处理衬底5的表面的间隙为155μm，如图9A所示。
此外，如图9B所示，共用光学调制元件10是所谓的线型移相器，并包括在一个方向或在横向交替重复的两个矩形区10a和10b。在本例中，两个区域10a和10b各具有例如10μm的宽度尺寸，并且在两个10a和10b之间提供180度的相差。在共用光学调制元件10中，在具有180度相差的两个区域10a和10b之间的线性边界10c构成移相线。
当具有最大入射角θ1＝2.1度的第一脉冲光进入共用光学调制元件10时，如图10B所示，在靠近光学调制元件10设置的被处理衬底5的表面上形成基本上人字形光强分布(第一光强分布)，该光强分布与图3B所示的光强分布类似并对应于相邻的V形单位强度分布的最小强度部分之间的强度分布。图10B表示由各个区域10a和10b形成的单位光强分布，并且可以在被处理衬底5上实际获得由多个单位光强分布构成的光强分布，其中单位光强分布在横向耦合。如可以从这个图中理解到的，形成了基本上人字形光强分布，其中光强根据移相线10c为最小并根据两个移相线10c的中心区域(区域10b的中心区)为最大。
另一方面，当具有最大入射角θ2＝1.0度的第二脉冲光进入共用光学调制元件10时，如图11所示，被处理衬底5的表面上形成具有基本上中心山峰形状的光强分布(第二光强分布)，该光强分布与图4B所示的光强分布类似。即，形成了具有基本上中心山峰形状的光强分布，其中光强根据移相线10c基本上为0并根据两个移相线10c的中间位置为最大。图10和11所示的光强分布是在假设光波长λ为248nm基础上计算的。
通过这种方式，在第二实施例中与第一实施例相同，通过添加对应于具有基本上中心山峰形状的第二光强分布的温度分布，可以相对于热扩散或潜在热量发射的影响补偿V形温度分布的高温区中的温度梯度随着时间的平坦化。结果是，在第二实施例中，同样，可以抑制在晶体生长的最后阶段的热扩散或潜在热量发射的影响，并且可以实现从晶核开始的充分晶体生长，由此产生具有大粒度的晶粒的结晶半导体。
在第二实施例中，来自一个光源31的光束被光束分裂器32分成两个光束。然而，本发明不限于此，例如，在来自第一光源的光通过第一成形光学系统41和共用照明光学系统44被引导到共用光学调制元件10和来自第二光源的光束通过延迟光学系统34、第二成形光学系统43和共用照明光学系统44被引导到共用光学调制元件10的结构中，从两个光源发射脉冲光的时序可以彼此偏移。
而且，在第二实施例中，共用光学调制元件10和被处理衬底5彼此靠近设置。然而，本发明不限于此，也可以采用如下结构：其中与第一实施例相同的图像形成光学系统设置在共用光学调制元件10和被处理衬底5之间。
图12是表示根据本发明第三实施例的结晶设备的结构的示意图。参见该图，该结晶设备包括照明系统3B、其上安装被处理衬底5的衬底台6、以及依次设置在照明系统3B和被处理衬底5之间并共用于第一脉冲光(第一激光)和第二脉冲光(第二激光)的共用光学调制元件11和图像形成光学系统4。在图12中，相同参考数字表示具有与图1所示构成元件相同的功能的元件。
在这个照明系统3B中，从光源31发射的激光进入偏振光束分裂器51。这个偏振光束分裂器51反射S偏振的光分量并传输P偏振的光分量。被偏振光束分裂器51反射的S偏振的光分量或光束(第一激光)经反射镜52进入光学路径组合元件53，如偏振光束分裂器，并被这个光学路径组合元件53反射。另一方面，经偏振光束分裂器51传输的P偏振的光分量或光束(第二激光)经延迟光学系统34和反射镜35进入光学路径组合元件53。被光学路径组合元件53反射的第一激光通过具有例如如图2所示的内部结构的共用照明光学系统54传输，然后作为处于S偏振状态的第一脉冲光照明共用光学调制元件11。通过光学路径组合元件53传输的第二激光经共用照明光学系统54传输，然后作为处于P偏振状态的第二脉冲光而照明共用光学调制元件11。在本例中，S偏振被定义为光的电场矢量垂直于页面空间，并且P偏振被定义为光的电场矢量平行于页面空间，等等。
图13A和13B是分别表示第三实施例中的共用光学调制元件的相位图形以及导电图形的一部分。图14是表示在第三实施例中在使第一脉冲光进入共用光学调制元件时在被处理衬底上形成的单位光强分布的示意图。此外，图15是表示在第三实施例中在使第二脉冲光进入共用光学调制元件中时在被处理衬底上形成的单位光强分布的示意图。第三实施例中的共用光学调制元件11具有图13A所示的相位图形以及包括图13B所示的导电膜图形的图形。
共用光学调制元件11的相位图形基本上具有与图3A所示的第一实施例的第一光学调制元件的相位图形相同的结构。即，共用光学调制元件11的相位图形具有参考相位值为0度的参考相位区(图中由空白部分表示)11a以及调相值为90度的每个矩形调相区(由图中的阴影部分表示)11b。这里，调相区11b根据1.0μm的间距(图像形成光学系统4的图像表面减少值)在垂直和水平方向设置。
调相区11b相对于1.0μm×1.0μm的单位单元11c的面积共享比(效率)沿着图中的水平方向(沿着横截面 A)在0％和50％之间变化。具体地说，相位图形的重复单位区域11d的两侧上的调相区11b的面积共享比是50％，而在重复单位区域11d的中心的调相区11b的面积共享比是0％，并且这些比之间的调相区11b的面积共享比按照28％、18％、11％和5％的顺序变化。
另一方面，共用光学调制元件11的导电膜图形具有沿着相位图形的横截面 A交替重复的两种类型的图形区11e和11f。在第一区11e中，在垂直和水平方向形成或根据0.5μm(图像形成光学系统4的图像表面减少值)间距以矩阵形状形成由铬形成的具有0.05μm厚度和0.3μm×0.3μm的尺寸(图像形成光学系统4的图像表面减少值)的正方形点图形11g。在第二区11f中，在相位图形的横截面 A的方向上或在横向方向上形成具有间距方向的线与空间图形。
在本例中，第二区11f的线与空间图形包括由厚度为0.05μm和宽度尺寸为0.05μm(图像形成光学系统4的图像表面减少值)的铬形成的条状线部分11h和宽度尺寸为0.05μm(图像形成光学系统4的图像表面减少值)的可透光空间部分11i。导电膜图形的第一区11e形成为对应于这些图形的重复单位区11d的中心位置。导电膜的第二区11f形成为具有沿着相位图形的横截面 A方向上的基本上与导电膜图形的第一区11e相同的宽度尺寸。
共用光学调制元件11按照如下方式设置：进入S偏振状态的第一脉冲光的振荡表面(电场方向)的方向与相位图形的横截面 A的方向匹配。
在制造共用光学调制元件11时，希望在一个衬底的同一表面上形成相位图形和导电膜图形。图13C中示出了这种形成的一个例子。在这个共用光学调制元件11中，导电膜形成在透明衬底的一个表面上，并且选择刻蚀这个膜，由此形成导电膜图形11f和11e。在这些图形上形成由透明材料构成的膜，并且选择刻蚀这个膜，由此形成包括参考相位区11a和调相区11b的相位图形。也可以通过在一个透明衬底的一个表面上形成相位图形、在另一透明衬底的一个表面上形成导电膜图形和在一侧上它们的表面上固定两个衬底，由此构成光学调制元件11。
在根据第三实施例的共用光学调制元件11中，线与空间图形(11h和11i)具有小于光的波长(248nm＝0.248μm)的间距。此外，构成线与空间图形(11h和11i)的线部分11h的铬是导体。因此，沿着垂直于线与空间图形(11h和11i)的间距方向的方向具有振动表面的P偏振的光被反射，而基本上不通过导电膜图形的第二区11f传输。
另一方面，在具有形成为铬点图形的导电膜图形的第一区11e中，光的传输系数固定而与偏振状态无关。如上所述，在导电膜图形的第一区11e中，相对于S偏振状态的第一脉冲光的传输系数和相对于P偏振状态的第二脉冲光的传输系数是40％。然而，在导电膜图形的第二区11f中，相对于S偏振状态的第一脉冲光的传输系数为40％，但是相对于P偏振状态的第二脉冲光的传输系数如2％一样小。就是说，导电膜图形的第二区11f是传输系数根据入射光束的偏振状态而变化的图形区。
因此，当S偏振状态的第一脉冲光进入共用光学调制元件11时，如图14所示，在设置在图像形成光学系统4的图像表面位置上的被处理衬底5的表面上形成类似于图3B所示的光强分布的人字形(两侧都为V形)光强分布(第一光强分布)。就是说，形成了V形光强分布，其中光强根据调相区11b的面积共享比为50％的横截面 A的位置为最小，并且光强根据调相区11b的面积共享比为0％的横截面A的位置为最大。应该注意的是，图14示出了人字形光强分布，其对应于沿着横截面 A的方向连续形成的多个V形光强分布中的相位图形的重复单位区11d。
另一方面，当P偏振状态的第二脉冲光进入共用光学调制元件11时，如上所述，尽管光经过导电膜图形的第一区11e很好地被传输，但是光很少通过导电膜图形的第二区11f被传输。结果是，如图15所示，在被处理衬底5的表面上形成具有基本上山峰形状(第二光强分布)的光强分布，该光强分布基本上只对应图14所示的人字形光强分布的中心部分。
如上所述，在第三实施例中，通过添加对应于具有类似于第一和第二实施例的基本上中心山峰形状的第二光强分布的温度分布，可以相对于热扩散或潜在热量发射的影响补偿V形温度分布中的高温区(人字形温度分布的顶点)中的温度梯度随时间的平坦化。结果是，在第三实施例中，同样，可以抑制在晶体生长的最后阶段热扩散或潜在热量发射的影响，并且可以实现从晶核开始的充分晶体生长，由此产生具有大粒度的晶粒的结晶半导体。
在前述每个实施例中，如图5B所示，在相对于光学调制元件1、10和11照射第一脉冲光和相对于光学调制元件2、10和11照射第二脉冲光之间保证了20nsec的时间间隔。然而，这两个脉冲光的照射时序不限于此，例如，相对于光学调制元件1、10和11照射第一脉冲光和相对于光学调制元件2、10和11照射第二脉冲光可以暂时基本上是连续的，如图16A所示。而且，如图16B所示，第一脉冲光的照射和第二脉冲光的照射可以暂时部分地重叠。在前述实施例中，第一实施例是发射具有不同分布、即第一照射的光强分布和第二照射的光强分布的光束的例子。第二和第三实施例是发射具有相同光强分布的光束的例子。
图17A-17E是表示在利用根据本实施例的结晶设备结晶的区域中制造电子器件的工艺的工艺剖面图。如图17A所示，制备通过以下步骤获得的被处理衬底5：通过使用化学汽相淀积法、溅射法等，在透明绝缘衬底80(例如，碱玻璃、石英玻璃、塑料或聚酰亚胺)上形成下膜81(例如，膜厚为50nm的SiN和膜厚为100nm的SiO2的叠层膜)、非晶半导体膜82(例如，膜厚大约为50nm到200nm的Si、Ge、或SiGe)和未示出的覆盖膜82a(例如，膜厚为30nm到300nm的SiO2膜)。然后，将激光83(例如，KrF准分子激光或XeCl准分子激光)施加于非晶半导体膜82的表面的预定区域上。
通过这种方式，如图17B所示，产生具有大粒度晶体的多晶半导体膜或单晶半导体膜84。接着，通过刻蚀除去覆盖膜82a之后，如图17C所示，将多晶半导体膜或单晶半导体膜84处理成岛状半导体膜85，该岛状半导体膜85成为如下区域：其中，例如通过利用光刻技术形成薄膜晶体管，并且使用化学汽相淀积法、溅射法等在表面上形成作为栅极绝缘膜86的膜厚为20nm到100nm的SiO2膜。另外，如图17D所示，在栅极绝缘膜上形成栅极87(例如硅化物或MoW)，并且用栅极87作掩模，注入杂质离子88(在N沟道晶体管的情况下为磷，在P沟道晶体管的情况下为硼)。之后，在氮气中进行退火处理(例如，一小时，温度为450℃)，从而激活杂质，并将源极区91和漏极区92形成为岛状半导体膜85。然后，如图17E所示，形成层间绝缘膜89，形成接触孔，和形成源极93和漏极94，其中源极和漏极与经沟道90耦合的源极91和漏极92连接。
在上述工艺中，沟道90是根据在如图17A和17B所示的工艺中产生的多晶半导体膜或单晶半导体膜84的大粒度晶体的位置形成的。利用上述工艺，可以将薄膜晶体管(TFT)形成为多晶晶体管或单晶半导体。如此制造的多晶晶体管或单晶晶体管可以适用于液晶显示单元(显示器)或EL(电致发光)显示器的驱动电路、存储器(SRAM或DRAM)或CPU的集成电路。
在前述实施例中，尽管相位调制元件用作第一光学调制元件，但是本发明不限于此，只要相位调制元件是能按照如下方式进行调制从而例如传输、反射、折射和/或衍射入射光的光学元件即可：即，在照射目标表面上形成与限定在其间的人字形单位光强分布对准的V形光强分布。同样，第二光学调制元件不限于相位调制元件，只要它可以按照如下方式相对于入射光进行光学调制即可：即，在照射目标表面上形成具有对应于人字形单位光强分布的强度峰值的光强分布。

Claims (18)

1、一种结晶设备，其特征在于包括：
第一光学调制元件，其用光束照射非单晶物质，由此使该非单晶物质熔化，其中所述光束将具有通过调制入射的第一光束的强度而得到的在该非单晶物质上的第一光强分布；
第二光学调制元件，其用光束照射该非单晶物质，由此使该非单晶物质熔化，其中所述光束将具有通过调制入射的第二光束的强度而得到的在该非单晶物质上的第二光强分布，该第二光强分布基本上不同于所述第一光强分布；和
照明系统，在通过照射具有所述第一光强分布的光束而部分地熔化所述非单晶物质的期间，该照明系统使具有所述第二光强分布的光束进入该非单晶物质的熔化部分。
2、一种结晶设备，其特征在于包括：
第一光学调制元件，其用第一光束照射非单晶物质，由此使该非单晶物质熔化，其中通过调制入射的第一光束的强度，所述第一光束将具有在该非单晶物质上的光强分布，该光强分布具有相邻的至少两个V形单位强度分布，以便在其间限定人字形单位光强分布；
第二光学调制元件，其用第二光束照射该非单晶物质，由此使该非单晶物质熔化，其中通过调制入射的第二光束的强度，所述第二光束将具有在该非单晶物质上的第二光强分布；和
照明系统，在从照射所述第一光束开始经过预定时间之后，该照明系统用所述第二光束照射被所述第一光束熔化的该非单晶物质的一部分。
3、根据权利要求1或2所述的结晶设备，其特征在于所述照明系统具有：发射照明光束的光源；将从所述光源发射的光束分成所述第一光束和所述第二光束的光束分裂器；将所述第一光束从所述光束分裂器引到所述第一光学调制元件的第一光学系统；以及将所述第二光束从所述光束分裂器引到所述第二光学调制元件的第二光学系统。
4、根据权利要求1或2所述的结晶设备，其特征在于所述第一光学调制元件和所述第二光学调制元件是共用的单一光学调制元件，和
所述照明系统使具有第一角分布的所述第一光束进入所述共用光学调制元件，然后使具有基本上不同于所述第一角分布的第二角分布的所述第二光束进入所述共用光学调制元件。
5、根据权利要求4所述的结晶设备，其特征在于所述照明系统具有：发射照明光束的光源；将从所述光源发射的光束分成所述第一光束和所述第二光束的光束分裂器；使来自所述光束分裂器的第一光束成形，并将所成形的光束引到预定位置的第一成形光学系统；具有比所述第一成形光学系统更长的光学路径长度、使来自所述光束分裂器的第二光束成形并将所成形的光束引到所述预定位置的第二成形光学系统；设置在所述预定位置上，并将通过所述第一成形光学系统传输的光束的光学路径和通过所述第二成形光学系统传输的光束的光学路径组合起来的光学路径组合元件；和设置在所述光学路径组合元件和所述共用光学调制元件之间的共用照明光学系统。
6、根据权利要求1或2所述的结晶设备，其特征在于所述第一光束和所述第二光束分别具有彼此不同的第一和第二偏振状态，所述第一光学调制元件和所述第二光学调制元件是共用的单一光学调制元件，和
所述照明系统使具有所述第一偏振状态的第一光束进入所述共用光学调制元件，然后使具有所述第二偏振状态的第二光束进入所述共用光学调制元件。
7、根据权利要求6所述的结晶设备，其特征在于所述照明系统具有：发射照明光束的光源；将从所述光源发射的光束分成具有S偏振分量的第一光束和具有P偏振分量的第二光束的偏振光束分裂器；将被所述光束分裂器反射的所述S偏振的第一光束引导到预定位置的第一光学系统；具有比所述第一光学系统更长的光学路径长度，并将通过所述光束分裂器传输的所述P偏振的第二光束引导到所述预定位置的第二光学系统；设置在所述预定位置上、并将通过所述第一光学系统传输的所述S偏振的光束的光学路径和通过所述第二光学系统传输的所述P偏振的光束的光学路径组合起来的光学路径组合元件；和设置在所述光学路径组合元件和所述共用光学调制元件之间的共用照明光学系统。
8、根据权利要求6所述的结晶设备，其特征在于所述共用光学调制元件包括图形区，在该图形区中，关于具有所述第一偏振状态的第一光束的传输系数基本上不同于关于具有所述第二偏振状态的第二光束的传输系数。
9、根据权利要求1或2所述的结晶设备，其特征在于进一步包括设置在所述第一和第二光学调制元件与所述非单晶物质之间并利用所述第一和第二光束照射该非单晶物质的共用图像形成光学系统。
10、一种结晶方法，其通过用具有预定光强分布的光束照射非单晶物质而产生结晶物质，其特征在于该方法包括：
第一照射步骤，用具有第一光强分布的第一光束照射该非单晶物质；和
第二照射步骤，在通过所述第一照射步骤熔化该非单晶物质的时间内，用具有基本上不同于所述第一光强分布的第二光强分布的光束照射该非单晶物质的熔化部分。
11、一种结晶方法，其通过用具有预定光强分布的光束照射非单晶物质而产生结晶物质，其特征在于该方法包括：
首先，用第一光束照射该非单晶物质，所述第一光束将具有在该非单晶物质上的光强分布，该光强分布具有相邻的至少两个V形单位强度分布，以便在其间限定人字形单位光强分布；和
其次，在从所述第一照射步骤开始经过预定时间之后，用具有第二光强分布的光束照射根据人字形单位光强分布的顶点形成到该非单晶物质上的高温区，以便补偿该非单晶物质的高温区中温度梯度随着时间的平坦化。
12、根据权利要求10或11所述的结晶方法，其特征在于在所述第一照射步骤中，用通过第一光学调制元件调制的所述第一光束照射所述非单晶物质，和
在所述第二照射步骤中，用通过第二光学调制元件调制的第二光束照射所述非单晶物质，该第二光学调制元件具有与所述第一光学调制元件的调制特性不同的调制特性。
13、根据权利要求10或11所述的结晶方法，其特征在于在所述第一照射步骤中，使所述第一光束进入共用光学调制元件，并用通过所述共用光学调制元件进行了相位调制的所述第一光束照射所述非单晶物质，和
使具有不同于所述第一光束的特性的第二光束进入所述共用光学调制元件，并用通过所述共用光学调制元件进行了相位调制的光束照射所述非单晶物质。
14、一种使用根据权利要求1或2所述的结晶设备或者根据权利要求10或11所述的结晶方法制造的器件。
15、一种光学调制元件，其特征在于包括图形区和调相区，在该图形区中，传输系数根据入射光束的偏振状态而不同。
16、一种结晶设备，其特征在于包括：
光学调制元件，其在非单晶物质上形成第一光束，该第一光束具有通过调制入射的第一光束的相位而获得的第一光强分布；和
照明系统，在用通过所述光学调制元件的第一光束照射的该非单晶物质被部分熔化的期间，该照明系统使具有第二光强分布的第二光束进入用具有所述第一光强分布的光束照射的该非单晶物质的一部分，其中所述第二光强分布具有与所述第一光强分布的峰值位置相同的峰值位置。
17、根据权利要求16所述的结晶设备，其特征在于具有所述第一光强分布的光束的最小值到最大值具有不小于所述非单晶物质的熔点的光强，和
具有所述第二光强分布的光束中的至少最大值部分的光束在所述非单晶物质上形成不小于该非单晶物质的熔点的光强。
18、一种具有薄膜晶体管的显示装置，其特征在于通过使用根据权利要求1或2所述的结晶设备或者根据权利要求10或11所述的结晶方法形成沟道区。
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